寒区铁路隧道温度场分布规律研究

李德山

(中铁十二局集团第四工程有限公司 西安市 710000)

0 引言

寒区隧道工程在后期运营过程中极易出现衬砌开裂、渗漏水、挂冰等冻害现象，给列车的运营和结构的安全带来重大的安全隐患。温度场作为寒区隧道的研究重点，一直为学者所重视。

掌握温度场的分布和影响规律可为寒区隧道的设计和施工提供重要的参考依据。目前国内外学者对寒区隧道温度场的研究已经取得重要成果。如王海龙等[1]对保温层的影响效果进行分析，发现保温层能够减小围岩的冻结深度，但在一定年限后其效果有限。高焱等[2]通过控制变量的分析方法研究了自然风速和岩温等因素对围岩温度的影响规律。王仁远,王开运等[3-4]通过正交试验对寒区隧道温度场的影响因素进行分析，并将其划分为主要和次要的影响因素。王群等[5]对温度场进行反演计算分析，并将计算结果与现场实测数据进行比较，发现二者吻合度较高。张玉伟[6]等通过现场实测和推导得到了围岩温度场时空分布规律。王仁远等[7]基于数值计算对温度场的分布特征和变化趋势进行分析，研究结果可为后期运营提供理论和数据基础。王开运等[8]分析了深埋和浅埋两种情况下围岩温度随保温层厚度的变化规律。此外，较多学者也对温度场分布规律的影响因素进行了深入的研究[9-10]。

综上所述，目前对温度场的研究已经较多且一定程度上有效保证了隧道后期运营安全。但是目前研究主要集中于温度场的影响因素和保温层厚度等方面，鲜有涉及外界环境温度对围岩温度、冻结深度以及围岩与衬砌接触面温度分布规律等多方面的研究。依托某工程，研究得到环境温度的影响规律，可为依托工程及类似工程的建设提供借鉴和参考。

1 工程概况

牡佳铁路麻山隧道全长9490m，属于低山丘陵区，植被茂盛。隧址区属温带湿润～亚湿润大陆性气候，冬季寒冷漫长，按对铁路工程影响的气候分区属严寒地区。累年极端最低温度-37.5 ℃，历年最冷月平均气温-16.2 ℃，土壤最大冻结深度255cm。

2 计算模型及参数

本次数值计算模型如图1所示。采用COMSOL多场耦合数值模拟软件进行分析，模型底部约束竖向位移，两侧约束水平位移，围岩初始温度根据设计资料取为5.5℃，模型的隧道内壁为对流边界，对流换热系数取14W/(m2·K)。模型尺寸为120m×120m。数值计算参数如表1所示。

图1 数值计算模型图

表1 数值模型计算参数

3 计算结果

3.1 围岩温度场

计算结果表明仰拱位置温度最低，因此选取仰拱位置的径向温度进行分析。不同环境温度下的仰拱围岩温度变化规律如图2所示。计算结果表明随着围岩深度的增大，围岩温度逐渐表现为增大的变化趋势并最终在距离隧道边界10m处趋于围岩初始温度。在5m范围内的围岩温度变化范围较大。当围岩温度由-5℃降低至-25℃时，围岩温度变化规律相似，但当围岩温度较低时围岩温度变化的更为强烈。

图2 围岩径向温度场分布图

3.2 冻结深度

不同环境温度下隧道拱顶、仰拱和边墙位置的冻结深度变化规律如图3所示。表明仰拱位置的冻结深度最大，拱顶次之，边墙最小。当环境温度由-5℃降低至-25℃时，拱顶位置的冻结深度分别为1.74m、2.20m、2.65m、3.06m，增大79.4%、126.8%、173.2%、215.5%。仰拱位置的冻结深度分别为1.91m、2.46m、2.94m、3.29m，增大75.2%、125.7%、169.7%、201.8%。边墙位置的冻结深度分别为1.71m、2.17m、2.60m、3.04m，增大80.0%、128.4%、173.7%、220.0%。

图3 围岩冻结深度变化图

不同环境温度下的冻结深度变化拟合曲线及其表达式如图4所示。表明拱顶、仰拱和边墙位置的冻结深度随环境温度的变化规律可用二次多项式拟合，拟合系数高，表明拟合效果较好，能有效表征冻结深度随外界环境温度的变化规律。

图4 围岩冻结深度拟合曲线图

3.3 隧道周边温度

计算结果表明仰拱位置的温度最低，因此选取仰拱位置的围岩与初期支护接触面位置进行分析。不同环境温度下接触面温度随计算时间的变化规律如图5所示，表明随着计算时间的增大，温度逐渐降低并最终趋于稳定。随着环境温度的降低，围岩温度达到稳定所需的时间更长。

图5 仰拱温度随计算时间变化图

不同环境温度下围岩与初期支护接触面的围岩温度分布如表2所示。表明隧道周边围岩温度分布表现为由拱顶到仰拱逐渐降低的变化趋势。当围岩温度由-5℃降低至-25℃时，拱顶位置的温度分别为-6.64℃、-10.87℃、-14.69℃、-18.81℃，降低149.6%、308.6%、452.3%、607.1%。仰拱位置的温度分别为-7.11℃、-11.30℃、-15.56℃、-19.14℃，降低137.8%、277.9%、420.4%、540.1%。边墙位置的温度分别为-5.56℃、-10.56℃、-14.64℃、-18.75℃，降低109.0%、297.0%、450.4%、604.9%。

表2 隧道洞周温度分布表 ℃

初期支护与二次衬砌接触面以及初期支护与围岩接触面间的平均温度如表3所示。当围岩温度由-5℃降低至-25℃时，初期支护与二次衬砌接触面位置的平均温度分别为-7.63℃、-11.89℃、-16.26℃、-20.61℃，降低126.4%、252.8%、382.5%、511.6%。初期支护与围岩接触面位置的平均温度分别为-6.62℃、-10.55℃、-14.65℃、-18.71℃，降低147.9%、295.1%、448.7%、600.7%。

表3 隧道洞周平均温度汇总表 ℃

4 结束语

以牡佳铁路麻山隧道为例，通过有限元分析，对其径向围岩温度，隧道周边温度和冻结深度受外界环境温度的影响进行分析。表明围岩径向在5m范围内温度变化较为明显，温度变化范围约为10m。随着外界环境温度降低，冻结深度逐渐变大，但增长速度变缓，其变化规律可用二次多项式拟合表现。隧道周边的围岩温度表现为从仰拱到拱顶逐渐增大的分布规律。